Optimization of the aluminium gravity casting tool preheating process

Abstract

This thesis work was assigned by KS Kolbenschmidt GmbH. Company produces casted parts for car industry. The purpose of this study was to investigate the possibilities to optimize the preheating process of an aluminum casting tool. This thesis analyses the characteristics of the preheating process of aluminum casting moulds. Furthermore, this work shows what actions are needed when considering the optimization of preheating process. The empirical part of this study was conducted at Usti nad Labem in The Czech Republic and was carried out during October 2017 and January 2018.

The goals of this thesis were settled in liaison with KS Kolbenschmidt Czech Republic. Preheating was performed by nozzle injected natural gas combustion flame direct to the solid surface of the casting tool. The preheating process was, at the time of this thesis work, quite energy inefficient because of the huge energy losses in the burning. Before the casting process can start, the mould needs to be preheated to temperature of 200 Celsius. This is done to ensure that the molten aluminum fills the whole cavity of the steel mould.

This work divided into five main sections. The first part encases the theory of physics which is applied in this case. The second part covers the practical measurements conducted in the foundry in Czech Republic and how the measured information is applied in this work. In third part the theory of impinging jet flow is applied to this case and the theoretical heating times for each burner are calculated. By using this knowledge, the characteristics for optimization process was identified. The fourth section discusses the validation of calculations and the optimization process through the use of computer aided modelling. In the final part of this work the achieved results are compared and evaluated. Furthermore, the alternative options for improving the mould heating are also discussed.

In this work the heating process is studied by applying the correlations made for the impinging jet applications. The correlations were suggested by a German physicist Martin Holger in 1977 at University of Karlsruhe in faculty of Technical Thermodynamics. Studying the process by using these theories, approximate directions for the optimization process could be pointed out. For getting more accurate results, computer aided modelling was used for calculating the heat transfer in the process. The program used for validation was Ansys Fluent and Ansys Transient Thermal. The computations, made by the program, were validated by measured results done on-site at the foundry.

Tämä opinnäytetyö on tehty yhteistyössä KS Kolbenschmidt GmbH:n kanssa. Yritys valmistaa valuosia autoteollisuuden tarpeisiin. Työn tarkoituksena oli selvittää alumiinin valamisessa käytetyn kokillimuotin esilämmitysprosessin optimointimahdollisuuksia. Tässä työssä on analysoitu lämmöntuonnin tehokkuutta ja sitä, mitkä ulkoiset seikat vaikuttavat lämmitysprosessiin. Opinnäytetyön mittausosuus suoritettiin Tšekin tasavallassa Ustin kaupungissa lokakuun 2017 ja tammikuun 2018 aikana.

Opinnäytteen päämääristä sovittiin yhdessä KS Kolbenschmidtin valimon johtajan kanssa. Muottien esilämmitys oli valimossa toteutettu maakaasuliekillä, joka puhalletaan suoraan muotin jakopinnoille. Muotin lämmitysprosessi oli erittäin epätaloudellinen, sillä kaasun poltossa suurin osa energiasta haihtuu ympäröivään ilmaan. Muotteja esilämmitetään, jotta niihin saavutettaisiin hyvä täytösaste ja lopputuotteen laatu pysyisi tasaisena. Valuprosessin onnistumisen kannalta tuli muotin lämpötilan olla noin 200 astetta.

Opinnäytetyö jakautui viiteen osaan, joista ensimmäisessä käsiteltiin teoriaa lämmönsiirrosta pakotetussa konvektiossa. Toisessa osassa käsiteltiin käytännön mittauksia ja niiden tuloksia. Kolmannessa osassa laskimme teoreettiset esilämmitysajat valumuotille soveltaen erilaisien poltinmallien ominaisuuksia. Laskemalla ja mittaamalla saatua tietoa sovelsimme tunnistaaksemme optimoinnille olennaiset seikat, joka on myös esitetty työn kolmannessa osassa. Opinnäytetyön neljäs osa koostui optimoinnin validoinnista, joka tehtiin käyttämällä elementtimenetelmää. Laskenta suoritettiin Ansys Fluent -ohjelmalla, jonka ratkaisua käytettiin lämmitysajan laskemiseen. Työn viimeiseen osaan olemme koonneet laskennan tulokset sekä arvioineet niitä. Olemme myös tuoneet esille vaihtoehtoisia toimintatapoja esilämmitysprosessin tehostamiselle.

Työn teoreettisena viitekehyksenä on saksalaisen fyysikon, Martin Holgerin, kehittämä teoria. Martinin tutkimus valmistui vuonna 1977 Karlsruhen yliopiston teknisen termodynamiikan laitoksella. Tutkimalla Martinin teoriaa löysimme polttoprosessista ne merkitsevät tekijät, joita muuttamalla pystyimme vaikuttamaan prosessin tehokkuuteen merkittävästi. Saavutetut tulokset validoitiin vertaamalla niitä mitattuihin arvoihin.